自適應(yīng)控制(1)

1、自自 適適 應(yīng)應(yīng) 控控 制制 (修訂版)叢 爽 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2010年9月前 言 1996年國際自動化領(lǐng)域最權(quán)威雜志AUTOMATICA 統(tǒng)計32年來所刊登稿件： 第一位Axelby ，45篇 第四位strm ，25篇 第六位R. Isermann ，21篇 使用頻率100次以上關(guān)鍵詞統(tǒng)計中，“自適應(yīng)控制（Adaptive Control） ”名列第一，共出現(xiàn)305次。 自動控制專業(yè)學(xué)生大學(xué)階段必須掌握理論 ：經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論 大學(xué)階段的主要專業(yè)課：兩門1）自動控制原理基于系統(tǒng)模型：傳遞函數(shù)：輸出變量的拉氏變換/輸入變量的拉氏變換（基礎(chǔ)被控系統(tǒng)的動力學(xué)模型：微分方程）要求（適用

2、范圍）：單變量根據(jù)系統(tǒng)期望的性能指標(biāo)：頻域或時域系統(tǒng)穩(wěn)定性：特征根具有負(fù)實部；奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)；勞斯判據(jù)；根軌跡法；尼柯爾斯曲線控制器設(shè)計：超前、滯后補償：PID研究的系統(tǒng)（理想情況）：線性、定常、時不變2）現(xiàn)代控制理論（工程）基于系統(tǒng)模型：狀態(tài)空間模型一階微分方程組（基礎(chǔ)被控系統(tǒng)的動力學(xué)模型：微分方程）適用范圍：多變量根據(jù)系統(tǒng)期望的性能指標(biāo)：時域?qū)Ρ豢叵到y(tǒng)的分析：可控性、可觀性控制器設(shè)計：最優(yōu)控制：時間最短、能量最小研究的系統(tǒng)（同樣為）：線性、定常、時不變 研究生階段必須要掌握最重要理論之一：自適應(yīng)控制：所要解決的問題是：線性、非定常、時變第一章 概 述 1.1 自適應(yīng)控制的提出 控制被控

3、過程，即設(shè)法使該被控過程控制特性達(dá)到期望性能指標(biāo) 經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論以過程動態(tài)特性事先已知，且控制系統(tǒng)在運行中不發(fā)生未知變化為前提條件 不定性：被控系統(tǒng)動態(tài)特性的未知性一、引起被控系統(tǒng)不定性的主要原因 構(gòu)成被控系統(tǒng)組合件本身特性使得過程動態(tài)特性或多或少具有某些非線性、時變性、分布性和隨機性 系統(tǒng)所處環(huán)境變化引起被控對象參數(shù)變動 系統(tǒng)本身變化引起參數(shù)值變化 總之，任何被控系統(tǒng)都存在不定性，僅強弱程度不同 二、 現(xiàn)代過程控制所面臨的難題 過程參數(shù)的未知性、時變性和隨機性 過程時滯或時延的未知性和時變性 過程的非線性和分布性 過程干擾的隨機性 過程的非最小相位特性 三、 自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)具有

4、的能力 有適應(yīng)工作條件變化和系統(tǒng)要求的能力 有學(xué)習(xí)的能力 在變化的工作條件中能產(chǎn)生所需的控制策略 在控制器參數(shù)失效時，有自行恢復(fù)其功能的能力 具有良好的魯棒性，即對系統(tǒng)的參數(shù)變化、建模誤差以及不確定干擾不敏感 四、自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計思想 在控制系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)本身不斷地測量被控系統(tǒng)的狀態(tài) 辨識和計算出系統(tǒng)當(dāng)前的參數(shù)和運行指標(biāo) 與期望的性能指標(biāo)相比較，進(jìn)而作出決策，來進(jìn)行控制器參數(shù)的設(shè)計，或根據(jù)自適應(yīng)的規(guī)律來改變控制作用，以保證系統(tǒng)運行在某種意義下的最優(yōu)或次最優(yōu)狀態(tài) 重復(fù)進(jìn)行以上的設(shè)計步驟五、自適應(yīng)控制系統(tǒng)發(fā)展概況 1954年：Tsien在工程控制論中提出自適應(yīng)這一專門名詞 1955年：Be

5、nner和Drenick提出控制系統(tǒng)具有“自適應(yīng)”概念 20世紀(jì)50年代末 ：Whitaker提出飛機自動駕駛儀的模型參考自適應(yīng)控制方案（MIT方案 ） 1963年 ：羅馬尼亞學(xué)者 V.M.Popov提出超穩(wěn)定性理論 ，法國學(xué)者 I.D.Landau把該理論應(yīng)用于模型參考自適應(yīng)控制 1966年 ：德國學(xué)者 P.C.Parks提出用Lyapunov第二法推導(dǎo)自適應(yīng)算法的自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計方法 在此期間，出現(xiàn)其它一些自適應(yīng)控制系統(tǒng)： 1960年：Li和Van Der提出自振蕩自適應(yīng)控制系統(tǒng) 19601961年：Bellman和Feldbaum分別在美國和蘇聯(lián)提出對偶控制 1963年：Petrov等人提

6、出變結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 1973年 ：瑞典學(xué)者K.J. strm和B. Wittenmark首先提出自校正調(diào)節(jié)器(STR) 1976年 ：英國學(xué)者D.W.Clarker和Gawthrop提出廣義最小方差自校正控制器 1979年：P.E.Wellstead和K.J. strm提出極點配置自校正調(diào)節(jié)器和伺服系統(tǒng)的設(shè)計方案此外，美國的Narendra, Morse，澳大利亞的Goodwin以及我國學(xué)者陳翰馥在自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性、收斂性和設(shè)計方法上也做了大量研究工作 六、自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 飛行器控制 深空探測器控制 動力系統(tǒng)艦船駕駛 衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng) 冶金過程控制 化工過程控制 生物工程 武器系統(tǒng) 經(jīng)濟管理、

7、交通、通信等 1.2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法 自適應(yīng)算法，必須具有兩個性質(zhì) ： 當(dāng)輸出與設(shè)定值之間出現(xiàn)有界偏差，能使被控系統(tǒng)穩(wěn)定 算法最后應(yīng)能給出期望的控制效果 前一性質(zhì)叫做穩(wěn)定性，后一性質(zhì)叫做收斂性 系統(tǒng)穩(wěn)定性和收斂性分析有三個假設(shè)： 被控系統(tǒng)是線性的，結(jié)構(gòu)是已知的 擾動是有界的 擾動是具有有理譜密度的平穩(wěn)過程 自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 系統(tǒng)的參數(shù)變辨識 根據(jù)辨識的系統(tǒng)參數(shù)和某一性能指標(biāo)進(jìn)行控制器的設(shè)計 自校正、自適應(yīng)過程 辨識：通過實驗方法確定過程的動力學(xué)特性 在線辨識：利用計算機同時完成對系統(tǒng)的操作與控制 批處理 ：將所有測量信號存儲起來離線辨識 實時處理 ：對每一采樣信號立刻進(jìn)行辨識與

8、控制器參數(shù)的計算處理 自適應(yīng)控制設(shè)計方法根據(jù)系統(tǒng)辨識參數(shù)的方式分為兩種設(shè)計過程 ： 間接法，又稱顯式法 ：首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識，然后利用所辨識的參數(shù)以及有關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行控制器設(shè)計 直接法,又稱隱式法 ：將控制器參數(shù)作為系統(tǒng)的未知數(shù)，建立一個與控制器參數(shù)直接有關(guān)的估計模型，并通過系統(tǒng)辨識的方法進(jìn)行求解。實際應(yīng)用中，采用以上兩種方法所設(shè)計的自適應(yīng)控制器常常習(xí)慣地稱為自校正控制器，或簡稱自校正器。 自校正器的一般結(jié)構(gòu) 控制器被控過程系統(tǒng)參數(shù) 辨識控制器 設(shè)計-+自適應(yīng)控制內(nèi)容一、基于優(yōu)化控制策略的自校正控制器 自校正控制技術(shù)性能指標(biāo)最小方差控制 ：以誤差的二次型目標(biāo)函數(shù)作為性能指標(biāo) ，性能指標(biāo)形式為 21eEJ 222rueEJQuuQxxEJTT3LQG線性高斯控制：其性能指標(biāo)為 廣義最小方差調(diào)節(jié) :性能指標(biāo)形式為二、基于常規(guī)控制策略的自校正器 極點配置法 ：不采用性能指標(biāo)形式設(shè)計控制器，使實際閉環(huán)系統(tǒng)的（零）極點收斂于期望傳遞函數(shù)的（零）極點 PID控制器：常規(guī)PID控制器作用下如何消除干擾和擾動三、模型參考自適應(yīng)控制 確定性線性系統(tǒng)控制器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖控制器被控過程控制器 設(shè)計-+性能指標(biāo)yyr自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制器被控過程系統(tǒng)參數(shù) 辨識控